JP2019501017A - Method for manufacturing conductive structure - Google Patents
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Abstract
本発明は、ナノファイバーを光触媒成分と共に基板上に適用、特に、電界紡糸によって適用し、この基板上に光分解によって金属層を析出させる、導電性構造体の製造方法に関する。
【選択図】図1The present invention relates to a method for producing a conductive structure, in which nanofibers are applied onto a substrate together with a photocatalytic component, in particular by electrospinning, and a metal layer is deposited on the substrate by photolysis.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、金属構造体、特に、導電性の構造体の製造方法、並びに、この種の基板及びその使用に関する。 The present invention relates to a method for producing a metal structure, in particular a conductive structure, and to a substrate of this kind and its use.
電界紡糸によって得られるファイバーは非常にアスペクト比が高く、これは、低体積に加えて大表面積を必要とする用途において有利である。例えば、銀ナノ粒子で被覆されたTiO2ナノファイバーは、表面増強ラマン分光、抗菌性コーティング、光触媒作用、及び、エネルギー変換に使用されている。導電性ナノファイバーも、電極として、又は、タッチスクリーンのために提案されている。 The fibers obtained by electrospinning have a very high aspect ratio, which is advantageous in applications that require a large surface area in addition to a low volume. For example, TiO 2 nanofibers coated with silver nanoparticles have been used for surface enhanced Raman spectroscopy, antibacterial coatings, photocatalysis, and energy conversion. Conductive nanofibers have also been proposed as electrodes or for touch screens.
それと同時に、既知の方法は非常に複雑であることが多く、得られるコーティングをうまく構造化できない。 At the same time, the known methods are often very complex and the resulting coating cannot be well structured.
本発明が取り組む課題は、ナノファイバーに基づく金属構造体、特に、透明伝導性構造体を製造することのできる方法を特定することである。 The problem addressed by the present invention is to identify a method by which metal structures based on nanofibers, in particular transparent conductive structures, can be produced.
上記課題は、特許請求の範囲に記載の独立項の特徴を有する発明によって達成される。これらの発明の有利な発展形態は、特許請求の範囲に記載の従属項において特定される。特許請求の範囲に記載の全ての請求項における表現は、引用することにより本明細書の一部をなす。これらの発明には、思いつく全ての上記独立項及び/又は上記従属項の組み合わせ、特に、言及した全ての上記独立項及び/又は上記従属項の組み合わせが包含される。 The above object can be achieved by the invention having the features of the independent claims described in the claims. Advantageous developments of these inventions are specified in the dependent claims. The expressions in all the claims recited in the claims are hereby incorporated by reference. These inventions include all conceivable combinations of the independent claims and / or the dependent claims, in particular all the mentioned independent claims and / or dependent claims.
上記課題は、金属構造体の製造方法によって達成される。以下、本方法の各工程を詳細に説明する。これらの工程は、必ずしも特定された順番で行う必要はなく、以下で概説される方法は、特定されない工程を更に含んでもよい。本方法は、
a)光触媒成分を含有するナノファイバーを基板上に提供する工程と、
b)少なくとも1種の金属構造体の前駆体化合物を、ナノファイバーと接触させる工程と、
c)光触媒成分に対する電磁放射線の作用によって、少なくとも1種の前駆体化合物を金属構造体へと還元する工程と、
を含む。
The said subject is achieved by the manufacturing method of a metal structure. Hereinafter, each process of this method is demonstrated in detail. These steps need not necessarily be performed in the order specified, and the methods outlined below may further include unspecified steps. This method
a) providing nanofibers containing a photocatalytic component on a substrate;
b) contacting at least one metal structure precursor compound with nanofibers;
c) reducing at least one precursor compound to a metal structure by the action of electromagnetic radiation on the photocatalytic component;
including.
工程c)において、典型的には、金属層が形成される。この場合、本発明の文脈における金属層は、金属の層を意味するものと理解される。この種の層は、適切な厚さを有するものであれば、導電性であってもよく、この種の導電性層が特に好ましい。ここで、「導電性」は、導体トラックを本質的に構成する構造体の製造を必ずしも意味するものではなく、導電性材料からのドットの製造も、原則として、導電性構造体を構成するものとする。 In step c), a metal layer is typically formed. In this case, a metal layer in the context of the present invention is understood to mean a layer of metal. This type of layer may be conductive as long as it has an appropriate thickness, and this type of conductive layer is particularly preferred. Here, “conductive” does not necessarily mean the production of a structure that essentially constitutes a conductor track, and in principle, the production of dots from a conductive material also constitutes a conductive structure. And
ナノファイバーを使用すると、ファイバーに沿って金属層を形成することができ、これにより、導電性構造体をより薄型化することができる。ファイバーの光触媒作用によって、このファイバーにおいて選択的還元を行うことができる。前駆体化合物自体は、感光性があったとしてもわずかであるので、取り扱いがより容易である。 When nanofibers are used, a metal layer can be formed along the fibers, and the conductive structure can be made thinner. By the photocatalytic action of the fiber, selective reduction can be performed in this fiber. The precursor compound itself is easier to handle because it is negligible, if any.
ナノファイバーを提供する基板は、この目的に好適な材料であればいずれでもよい。好適な材料の例としては、金属又は金属合金、ガラス、酸化物セラミック、ガラスセラミック等のセラミック、プラスチック、並びに、紙及び他のセルロース系材料が挙げられる。当然ながら、上述の材料からなる表層を有する基板を使用することも可能である。この表層は、例えば、メタライズ層、エナメル層、ガラス層、若しくは、セラミック層、又は、塗装系とすることができる。 The substrate providing the nanofibers may be any material suitable for this purpose. Examples of suitable materials include metals or metal alloys, glasses, ceramics such as oxide ceramics, glass ceramics, plastics, and paper and other cellulosic materials. Of course, it is also possible to use a substrate having a surface layer made of the above-mentioned materials. The surface layer can be, for example, a metallized layer, an enamel layer, a glass layer, a ceramic layer, or a paint system.
金属又は金属合金の例としては、ステンレス鋼を含む鋼、クロム、銅、チタン、錫、亜鉛、黄銅、及び、アルミニウムが挙げられる。ガラスの例としては、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、鉛クリスタルガラス、及び、シリカガラスが挙げられる。このガラスは、例えば、板ガラス、ガラス容器等の中空ガラス、又は、実験ガラス機器であってよい。セラミックは、例えば、SiO2、Al2O3、ZrO2、若しくは、MgOといった酸化物、又は、これらに対応する混合酸化物に基づくセラミックとすることができる。プラスチックは、金属と同様フィルムの形態で存在し得るが、その例としては、HDPE又はLDPE等のポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイソブチレン、ポリスチレン(PS)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリ塩化ビニリデン、ポリビニルブチラール、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリアクリレート、ポリメチルメタクリレート(PMMA)等のポリメタクリレート、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート、再生セルロース、硝酸セルロース、酢酸セルロース、三酢酸セルロース(TAC)、酢酸酪酸セルロース、及び、塩酸ゴムが挙げられる。塗装表面は、標準ベースコート又は塗料から形成することができる。好ましい実施の形態においては、基板はフィルムであり、特に、ポリエチレンテレフタレートフィルム、又は、ポリイミドフィルムである。構造体の製造を表面上に直接行う場合には、この表面は温度等の製造条件に耐えることができなければならない。 Examples of the metal or metal alloy include steel including stainless steel, chromium, copper, titanium, tin, zinc, brass, and aluminum. Examples of the glass include soda lime glass, borosilicate glass, lead crystal glass, and silica glass. This glass may be, for example, plate glass, hollow glass such as a glass container, or experimental glass equipment. The ceramic may be, for example, a ceramic based on an oxide such as SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , or MgO, or a corresponding mixed oxide. Plastics can exist in the form of films as well as metals, examples of which are polyethylene, such as HDPE or LDPE, polypropylene, polyisobutylene, polystyrene (PS), polyvinyl chloride (PVC), polyvinylidene chloride, polyvinyl butyral. , Polytetrafluoroethylene, polychlorotrifluoroethylene, polyacrylate, polymethacrylate such as polymethyl methacrylate (PMMA), polyamide, polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate, regenerated cellulose, cellulose nitrate, cellulose acetate, cellulose triacetate (TAC) ), Cellulose acetate butyrate, and hydrochloric acid rubber. The painted surface can be formed from a standard base coat or paint. In a preferred embodiment, the substrate is a film, particularly a polyethylene terephthalate film or a polyimide film. When manufacturing the structure directly on the surface, the surface must be able to withstand manufacturing conditions such as temperature.
ナノファイバーは、少なくとも1つの光触媒活性成分を含有する。この光触媒活性成分は、それ自体分解することなく、金属錯体中の金属イオンを金属へと直接還元する化合物、及び/又は、金属錯体若しくは更なる物質を酸化老化することにより間接的に還元する化合物を意味するものと理解される。酸化において発生する生成物は、金属錯体の分解、及び、この錯体中の金属イオンの還元を引き起こす。光触媒材料は、ZnO又はTiO2とすることができ、TiO2であることが好ましく、アナターゼ型TiO2がより好ましい。 The nanofiber contains at least one photocatalytically active component. This photocatalytically active component is a compound that directly reduces a metal ion in a metal complex to a metal without being decomposed by itself, and / or a compound that is indirectly reduced by oxidative aging of a metal complex or a further substance Is understood to mean. Products generated in the oxidation cause decomposition of the metal complex and reduction of metal ions in the complex. Photocatalyst material may be a ZnO or TiO 2, it is preferably TiO 2, more preferably anatase TiO 2.
本発明の特に好ましい実施形態では、二酸化チタンが、少なくともアナターゼ型二酸化チタン及びアモルファス型二酸化チタンとして存在する。アモルファス型二酸化チタンのマトリックス中に埋め込まれたアナターゼ型二酸化チタンの結晶子のサイズ(X線回折によって求められる)が、20nm未満であることがより好ましく、10nm未満であることが更に好ましい。ファイバーは、アナターゼ型二酸化チタンとアモルファス型二酸化チタンとの複合体からなる。これらの二酸化チタンの転換は、焼成条件の選択によって制御することができる。 In a particularly preferred embodiment of the invention, the titanium dioxide is present as at least anatase titanium dioxide and amorphous titanium dioxide. The size of the crystallites (determined by X-ray diffraction) of the anatase titanium dioxide embedded in the amorphous titanium dioxide matrix is more preferably less than 20 nm, and still more preferably less than 10 nm. The fiber is composed of a composite of anatase type titanium dioxide and amorphous type titanium dioxide. The conversion of these titanium dioxides can be controlled by selecting the firing conditions.
ファイバー、特に、アナターゼ型二酸化チタンとアモルファス型二酸化チタンとの複合体からなるファイバーは、その比表面積が少なくとも80m2/gであることが特に好ましく、少なくとも90m2/gであることが特に好ましい。 It is particularly preferable that the fiber, particularly a fiber made of a composite of anatase type titanium dioxide and amorphous type titanium dioxide, has a specific surface area of at least 80 m 2 / g, particularly preferably at least 90 m 2 / g.
ナノファイバーが10μmを超える平均長さを有することが好ましく、特に、20μmを超える平均長さを有することが好ましく、50μmを超える平均長さを有することがより好ましい。 The nanofibers preferably have an average length of more than 10 μm, particularly preferably an average length of more than 20 μm and more preferably an average length of more than 50 μm.
本発明の好ましい実施形態では、ナノファイバーが電界紡糸によって得られる。 In a preferred embodiment of the present invention, nanofibers are obtained by electrospinning.
このために、マトリックス材料又はその前駆体と、光触媒成分又はその前駆体とを含有する組成物を準備する。 For this purpose, a composition containing a matrix material or a precursor thereof and a photocatalytic component or a precursor thereof is prepared.
この組成物を電界紡糸によって紡糸して、ナノファイバーを得る。 The composition is spun by electrospinning to obtain nanofibers.
得られたファイバーを処理する、例えば、200℃未満、特に、150℃未満の温度で乾燥することが必要となり得る。 It may be necessary to treat the resulting fiber, for example to dry at a temperature below 200 ° C., in particular below 150 ° C.
電界紡糸の直後に、更に加工を行う前に、少なくとも12時間ファイバーを休ませることが必要となり得る。 Immediately after electrospinning, it may be necessary to rest the fiber for at least 12 hours before further processing.
最終基板にナノファイバーを適用することが必要となり得る。 It may be necessary to apply nanofibers to the final substrate.
電界紡糸後のナノファイバーは、平均直径が1μm未満、特に500nm未満(ESEMによって求められる)、特に400nm未満であることが好ましい。ファイバーは円形断面を有することが好ましい。その直径は、30nm〜500nm、特に50nm〜350nmであることが好ましい。 The nanofiber after electrospinning preferably has an average diameter of less than 1 μm, in particular less than 500 nm (determined by ESEM), in particular less than 400 nm. The fiber preferably has a circular cross section. The diameter is preferably 30 nm to 500 nm, particularly 50 nm to 350 nm.
ファイバーはその使用前に、300℃超で、特に400℃超で熱処理することが必要となり得る。熱処理の温度は、好ましくは300℃〜800℃であり、特に好ましくは300℃〜600℃である。熱処理時間は、1分〜5時間とすることができる。その結果、二酸化チタンを使用する場合には、アナターゼ型二酸化チタンを得ることができる。 Prior to its use, the fiber may need to be heat treated above 300 ° C., in particular above 400 ° C. The temperature of the heat treatment is preferably 300 ° C to 800 ° C, particularly preferably 300 ° C to 600 ° C. The heat treatment time can be 1 minute to 5 hours. As a result, when titanium dioxide is used, anatase type titanium dioxide can be obtained.
本発明の一実施の形態においては、光触媒活性成分はナノ粒子、好ましくは、非加水分解ゾルゲルプロセスによって製造されたナノ粒子を含む。このために、加水分解性チタン化合物及び/又は加水分解性亜鉛化合物を、アルコール及び/又は酸、好ましくは炭酸と、好ましくは保護ガス雰囲気下で、反応させる。この反応は、10℃〜100℃の温度で行うことが好ましく、15℃〜30℃の温度で行うことがより好ましい。一実施の形態においては、この反応は室温で行うことができる。 In one embodiment of the invention, the photocatalytically active component comprises nanoparticles, preferably nanoparticles produced by a non-hydrolyzed sol-gel process. For this purpose, the hydrolyzable titanium compound and / or hydrolyzable zinc compound is reacted with an alcohol and / or acid, preferably carbonic acid, preferably in a protective gas atmosphere. This reaction is preferably performed at a temperature of 10 ° C to 100 ° C, more preferably at a temperature of 15 ° C to 30 ° C. In one embodiment, the reaction can be performed at room temperature.
加水分解性チタン化合物は、特に、TiX4の式で表される化合物である。式中、加水分解性基Xは、同一でも異なってもよく、例えば、水素、ハロゲン(F、Cl、Br、又は、I、特に、Cl及びBr)、アルコキシ(好ましくはC1〜C6アルコキシ、特に好ましくは、メトキシ、エトキシ、n−プロポキシ、i−プロポキシ、ブトキシ、i−ブトキシ、sec−ブトキシ、及び、tert−ブトキシ等のC1〜C4アルコキシ)、アリールオキシ(好ましくは、フェノキシ等のC6〜C10アリールオキシ)、アシルオキシ(例えば、アセトキシ、又は、プロピオニルオキシ等のC1〜C6アシルオキシ)、又は、アルキルカルボニル(好ましくは、アセチル等のC2〜C7アルキルカルボニル)である。ハロゲン化物の一例としては、TiCl4が挙げられる。加水分解性ラジカルXは、アルコキシ基であることが更に好ましく、C1〜C4アルコキシであることが特に好ましい。具体的なチタン酸塩としては、Ti(OCH3)4、Ti(OC2H5)4、及び、Ti(n−又はi−OC3H7)4が挙げられる。 The hydrolyzable titanium compound is a compound represented by the formula of TiX 4 in particular. In the formula, the hydrolyzable groups X may be the same or different, for example, hydrogen, halogen (F, Cl, Br, or I, especially Cl and Br), alkoxy (preferably C 1 -C 6 alkoxy) Particularly preferably, C 1 -C 4 alkoxy such as methoxy, ethoxy, n-propoxy, i-propoxy, butoxy, i-butoxy, sec-butoxy and tert-butoxy), aryloxy (preferably phenoxy, etc.) C 6 -C 10 aryloxy), and acyloxy (e.g., acetoxy or propionyloxy C 1 -C 6 acyloxy oxy, etc.), or, alkylcarbonyl (preferably in C 2 -C 7 alkylcarbonyl) such as acetyl is there. Examples of halides include TiCl 4. The hydrolyzable radical X is more preferably an alkoxy group, and particularly preferably C 1 -C 4 alkoxy. Specific titanates include Ti (OCH 3 ) 4 , Ti (OC 2 H 5 ) 4 , and Ti (n- or i-OC 3 H 7 ) 4 .
亜鉛化合物の場合、Zn(OAc)2等の亜鉛の炭酸化合物が1つの選択肢として挙げられる。 In the case of a zinc compound, a zinc carbonate compound such as Zn (OAc) 2 is one option.
上記アルコール及び/又は酸は、通常、低級アルコール、及び、無機酸又はカルボン酸である。このような化合物の例としては、メタノール、エタノール、n−プロパノール、i−プロパノール、n−ブタノール、i−ブタノール、及び、ネオペンタノール等のアルキルアルコール、グリコール、プロパン−1,3−ジオール、並びに、芳香環上で置換されてもよいベンジルアルコール等のベンジルアルコールが挙げられる。カルボン酸の例としては、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、及び、シュウ酸が挙げられる。溶媒の混合物を使用することも可能である。この化合物は、溶媒として使用する、すなわち、明らかに過量に用いることも好ましい。無機酸の例としては、塩酸、硫酸、リン酸、及び、硝酸が挙げられる。これらの酸は、水溶液として、又は、アルコール溶液として用いることができる。水を添加することによって加水分解を援助することが必要となり得る。 The alcohol and / or acid is usually a lower alcohol and an inorganic acid or carboxylic acid. Examples of such compounds include methanol, ethanol, n-propanol, i-propanol, n-butanol, i-butanol, and alkyl alcohols such as neopentanol, glycol, propane-1,3-diol, and Benzyl alcohol such as benzyl alcohol which may be substituted on the aromatic ring. Examples of carboxylic acids include formic acid, acetic acid, propionic acid, butyric acid, and oxalic acid. It is also possible to use mixtures of solvents. It is also preferred to use this compound as a solvent, i.e. obviously in excess. Examples of inorganic acids include hydrochloric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, and nitric acid. These acids can be used as an aqueous solution or an alcohol solution. It may be necessary to aid hydrolysis by adding water.
結晶性ナノ粒子を得るためには、熱処理を行うこと、好ましくは、例えば、自発生圧力下で熱処理を行うことが必要となり得る。このために、反応混合物を閉鎖容器中で50℃〜300℃の温度で2時間〜48時間処理する。 In order to obtain crystalline nanoparticles, it may be necessary to perform a heat treatment, preferably for example under a self-generated pressure. For this, the reaction mixture is treated in a closed vessel at a temperature of 50 ° C. to 300 ° C. for 2 hours to 48 hours.
得られたナノ粒子は、簡易な遠心分離及び溶媒の除去を行うことによって得ることができる。 The obtained nanoparticles can be obtained by simple centrifugation and solvent removal.
このナノ粒子は、200mm未満の平均直径(TEMによって求められる)を有することが好ましく、より好ましくは100mm未満、特に好ましくは50nm未満の平均直径を有する。 The nanoparticles preferably have an average diameter of less than 200 mm (determined by TEM), more preferably less than 100 mm, particularly preferably less than 50 nm.
このナノ粒子は、例えば、その吸収領域を他のスペクトル領域にシフトするため、ドープしたものであってもよい。 The nanoparticles may be doped, for example, to shift its absorption region to another spectral region.
このために、ナノ粒子においては、その製造において、適当な金属化合物、例えば、酸化物、塩、又は、錯体、例えば、ハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩、カルボン酸塩(例えば、酢酸塩)、又は、アセチルアセトネートをドープのために使用することができる。この化合物は、ナノ粒子の製造に使用する溶媒に適切に可溶でなければならない。好適な金属としては、いかなる金属であってもよいが、特に、元素周期表の第5族〜第14族、ランタノイド、及び、アクチノイドから選ばれる金属である。ここで、これらの族は、Roempp Chemie Lexikon(第9版)に示された新IUPACシステムに従ってリストアップしている。この金属は、化合物中、適当な酸化前駆体中に生成し得る。 To this end, in the production of nanoparticles, suitable metal compounds, such as oxides, salts or complexes, such as halides, nitrates, sulfates, carboxylates (eg acetates), or Acetylacetonate can be used for dope. This compound must be appropriately soluble in the solvent used to produce the nanoparticles. A suitable metal may be any metal, but is particularly a metal selected from Groups 5 to 14 of the periodic table, lanthanoids, and actinoids. Here, these families are listed according to the new IUPAC system shown in Roempp Chemie Lexikon (9th edition). This metal can be formed in the compound in a suitable oxidation precursor.
上記金属化合物のための好適な金属の例としては、W、Mo、Zn、Cu、Ag、Au、Sn、In、Fe、Co、Ni、Mn、Ru、V、Nb、Ir、Rh、Os、Pd、及び、Ptが挙げられる。W(VI)、Mo(VI)、Zn(II)、Cu(II)、Au(III)、Sn(IV)、In(III)、Fe(III)、Co(II)、V(V)、及び、Pt(IV)の金属化合物を使用することが好ましい。特に、W(VI)、Mo(VI)、Zn(II)、Cu(II)、Sn(IV)、In(III)、及び、Fe(III)の場合に、非常に良好な結果が得られる。金属化合物の好適な具体例としては、WO3、MoO3、FeCl3、酢酸銀、塩化亜鉛、塩化銅(II)、酸化インジウム(III)、及び、酢酸錫(IV)が挙げられる。 Examples of suitable metals for the metal compounds include W, Mo, Zn, Cu, Ag, Au, Sn, In, Fe, Co, Ni, Mn, Ru, V, Nb, Ir, Rh, Os, Pd and Pt are mentioned. W (VI), Mo (VI), Zn (II), Cu (II), Au (III), Sn (IV), In (III), Fe (III), Co (II), V (V), And it is preferable to use a metal compound of Pt (IV). Very good results are obtained especially in the case of W (VI), Mo (VI), Zn (II), Cu (II), Sn (IV), In (III) and Fe (III). . Preferable specific examples of the metal compound include WO 3 , MoO 3 , FeCl 3 , silver acetate, zinc chloride, copper (II) chloride, indium (III) oxide, and tin (IV) acetate.
上記金属化合物と上記チタン化合物又は亜鉛化合物との割合は、使用する金属、及び、その酸化状態にも左右される。上記チタン化合物又は亜鉛化合物のチタン/亜鉛に対する、上記金属化合物の金属のモル比(Me/Ti(Zn))が、0.0005:1〜0.2:1、好ましくは0.001:1〜0.1:1、より好ましくは0.005:1〜0.1:1となるような割合を使用するのが一般的である。 The ratio of the metal compound to the titanium compound or zinc compound also depends on the metal used and its oxidation state. The metal molar ratio (Me / Ti (Zn)) of the metal compound to titanium / zinc of the titanium compound or zinc compound is 0.0005: 1 to 0.2: 1, preferably 0.001: 1 to 0.005: 1. It is common to use a ratio of 0.1: 1, more preferably 0.005: 1 to 0.1: 1.
得られたナノ粒子は、例えば、それに使用するマトリックス材料に対する親和性を与えるために、表面改質を行ってもよい。例えば、フッ素化基による表面改質によって、ファイバーに対してナノ粒子の濃度勾配をつくることも可能である。ナノ粒子はファイバーの表面に蓄積している。 The obtained nanoparticles may be subjected to surface modification, for example, in order to give affinity to the matrix material used therein. For example, it is possible to create a nanoparticle concentration gradient for the fiber by surface modification with a fluorinated group. Nanoparticles accumulate on the surface of the fiber.
本発明の別の実施の形態においては、上記組成物は、光触媒活性成分の前駆体化合物を含む。この前駆体化合物は、例えば、上述の、ナノ粒子のための加水分解性化合物である。まず、この化合物をゾルに変換することが必要となり得る。これは、例えば、酢酸、塩酸等の酸を添加することによって達成することができる。 In another embodiment of the invention, the composition comprises a precursor compound of a photocatalytically active component. This precursor compound is, for example, the hydrolyzable compound for nanoparticles described above. First, it may be necessary to convert this compound to a sol. This can be achieved, for example, by adding an acid such as acetic acid or hydrochloric acid.
上記組成物は、少なくとも1種のマトリックス材料、又は、少なくとも1種のその前駆体も含有する。これは、有機マトリックス形成材料、無機マトリックス形成材料、又は、有機的に改質された無機マトリックス形成材料とすることができ、特に、無機ゾル、又は、有機的に改質された無機ハイブリッド材料を含むことが好ましい。その例としては、少なくとも1つのガラス形成元素M、又は、少なくとも1つのセラミック形成元素Mの、任意に有機的に改質されていてもよい酸化物、加水分解物、及び、(ポリ)縮合物が挙げられ、元素Mは、特に、元素周期表の第3族〜第5族及び/又は第12族〜第15族から選ばれる元素Mであり、好ましくは、Si、Al、B、Ge、Pb、Sn、Ti、Zr、V、及び、Zn、又は、その混合物である。或る割合の周期表第1族及び第2族の元素(例えば、Na、K、Ca、及び、Mg)並びに周期表第5族〜第10族の元素(例えば、Mn、Cr、Fe、及び、Ni)、又は、ランタノイドを、上記酸化物、加水分解物、又は、(ポリ)縮合物中に存在させることも可能である。これは、例えば、Tiを含有するゾルであってもよく、このゾルは、任意で、同時に光触媒活性成分の前駆体ともなり得る。 The composition also contains at least one matrix material or at least one precursor thereof. This can be an organic matrix forming material, an inorganic matrix forming material, or an organically modified inorganic matrix forming material, in particular an inorganic sol or an organically modified inorganic hybrid material. It is preferable to include. Examples include at least one glass-forming element M, or optionally organically modified oxides, hydrolysates and (poly) condensates of at least one ceramic-forming element M. In particular, the element M is an element M selected from Group 3 to Group 5 and / or Group 12 to Group 15 of the periodic table, and preferably Si, Al, B, Ge, Pb, Sn, Ti, Zr, V, and Zn, or a mixture thereof. A proportion of periodic table Group 1 and Group 2 elements (eg, Na, K, Ca, and Mg) and Periodic Table Group 5-10 elements (eg, Mn, Cr, Fe, and Ni) or lanthanides can also be present in the oxides, hydrolysates or (poly) condensates. This can be, for example, a sol containing Ti, which can optionally also be a precursor of the photocatalytically active component.
有機マトリックス材料の場合には、有機ポリマー及び/又はオリゴマー、好ましくはヒドロキシル基、第1級、第2級、若しくは、第3級アミノ基、カルボキシル基、又は、カルボン酸基等の極性基を有する有機ポリマー及び/又はオリゴマーを使用することができる。典型的な例としては、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルピロリドン、ポリアクリルアミド、ポリビニルピリジン、ポリアリルアミン、ポリアクリル酸、ポリビニルブチラール等のポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリル酸、デンプン、アラビアゴム、並びに、ポリエチレン−ポリビニルアルコール共重合体、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、及び、ポリ(4−ビニルフェノール)等の他のポリマーアルコール、又は、それら由来のモノマー若しくはオリゴマーが挙げられる。中でも、ポリビニルピロリドン(PVA)が好ましい。 In the case of an organic matrix material, it has an organic polymer and / or oligomer, preferably a polar group such as a hydroxyl group, primary, secondary, or tertiary amino group, carboxyl group, or carboxylic acid group. Organic polymers and / or oligomers can be used. Typical examples include polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, polyvinyl pyrrolidone, polyacrylamide, polyvinyl pyridine, polyallylamine, polyacrylic acid, polyvinyl butyral and other polyvinyl acetate, polymethylmethacrylic acid, starch, gum arabic, and polyethylene. -Polyvinyl alcohol copolymer, polyethylene glycol, polypropylene glycol, and other polymer alcohols such as poly (4-vinylphenol), or monomers or oligomers derived therefrom. Of these, polyvinylpyrrolidone (PVA) is preferable.
200000g/molを超え、かつ300000g/molまでの分子質量(平均分子量;MW)を有する有機ポリマーが好ましい。 Organic polymers having a molecular mass (average molecular weight; M w ) exceeding 200,000 g / mol and up to 300,000 g / mol are preferred.
上記組成物は、少なくとも1種の溶媒を含んでもよい。全ての構成成分は、その溶媒に対して溶解性又は分散性を有していなければならない。溶媒は、例えば、メタノール、エタノール、又は、イソプロパノール等のアルコールとすることができる。150℃未満、特に、100℃未満の沸点を有する1種以上の溶媒が好ましい。 The composition may include at least one solvent. All components must be soluble or dispersible in the solvent. The solvent can be, for example, an alcohol such as methanol, ethanol, or isopropanol. One or more solvents having a boiling point below 150 ° C., in particular below 100 ° C. are preferred.
界面活性剤、酸化防止剤、可塑剤等の添加剤を更に存在させることもできる。 Additives such as surfactants, antioxidants, plasticizers and the like can also be present.
上記組成物の粘度は、電界紡糸の条件に従って調整することができる。 The viscosity of the composition can be adjusted according to the electrospinning conditions.
組成物にもよるが、マトリックス成分が有機マトリックス成分である場合のマトリックス成分の含有率は、組成物に対して、2重量%〜15重量%、特に、2重量%〜10重量%である。 Although depending on the composition, the content of the matrix component when the matrix component is an organic matrix component is 2% by weight to 15% by weight, particularly 2% by weight to 10% by weight, based on the composition.
特に、上記組成物が加水分解性化合物を含む場合には、電界紡糸の前に、組成物を1時間〜72時間混合することが必要となり得る。 In particular, if the composition includes a hydrolyzable compound, it may be necessary to mix the composition for 1 hour to 72 hours prior to electrospinning.
電界紡糸の好ましい条件としては、電圧が8kV〜20kV、紡糸ドープの流速が0.3mL/h〜1.5mL/hが挙げられる。ファイバーを集める表面からの距離は、10cm〜30cmが好ましい。0.4mm〜2mmの内径を有するニードルを使用することが好ましい。 Preferred conditions for electrospinning include a voltage of 8 kV to 20 kV and a spinning dope flow rate of 0.3 mL / h to 1.5 mL / h. The distance from the surface where the fibers are collected is preferably 10 cm to 30 cm. It is preferable to use a needle having an inner diameter of 0.4 mm to 2 mm.
本発明の一実施の形態においては、上記ファイバーを、同心円状のリングノズルを用いた電界紡糸によって製造する。この種のノズルは、中心開口部と、その周囲の環状開口部とを有する。そのため、ファイバーを2種の異なる組成物から製造することができる。2種の異なる組成物の一方はファイバーのコアを形成する組成物(中心リングノズル)であり、もう一方はファイバーのシェルを形成する組成物(周囲のリング開口部)である。これにより、例えば、シェルのみに光触媒成分を含有し、コアには含有しないファイバーを製造することが可能となる。 In one embodiment of the present invention, the fiber is manufactured by electrospinning using a concentric ring nozzle. This type of nozzle has a central opening and a surrounding annular opening. As such, the fiber can be made from two different compositions. One of the two different compositions is the composition that forms the core of the fiber (center ring nozzle), and the other is the composition that forms the shell of the fiber (the surrounding ring opening). Thereby, for example, it becomes possible to produce a fiber containing the photocatalytic component only in the shell and not in the core.
本発明の好ましい実施の形態(i)においては、上記紡糸組成物は、光触媒活性を有するナノ粒子、好ましくはTiO2、より好ましくはアナターゼ型TiO2と、少なくとも1種の有機ポリマー、好ましくはPVAとを含有する。このために、上述のように製造したナノ粒子を使用することが好ましい。 In a preferred embodiment (i) of the invention, the spinning composition comprises nanoparticles having photocatalytic activity, preferably TiO 2 , more preferably anatase TiO 2 and at least one organic polymer, preferably PVA. Containing. For this purpose, it is preferred to use nanoparticles produced as described above.
本発明の更に好ましい実施の形態(ii)においては、上記紡糸組成物は、上述のように、光触媒成分の前駆体、特に、加水分解性チタン化合物又はその縮合物と、少なくとも1種の有機ポリマー及び/又はオリゴマーとを含有する。この前駆体は、例えば、上述の、ナノ粒子のための加水分解性化合物である。まず、この化合物をゾルに変換することが必要となり得る。これは、例えば、酢酸、塩酸等の酸を添加することによって達成することができる。 In a further preferred embodiment (ii) of the present invention, the spinning composition comprises a precursor of a photocatalytic component, in particular a hydrolyzable titanium compound or a condensate thereof, and at least one organic polymer as described above. And / or an oligomer. This precursor is, for example, the hydrolyzable compound for nanoparticles described above. First, it may be necessary to convert this compound to a sol. This can be achieved, for example, by adding an acid such as acetic acid or hydrochloric acid.
本発明の更に好ましい実施の形態(iii)においては、ファイバーのシェルのための上記組成物は光触媒活性を有するナノ粒子を含有し、ファイバーのコアのための上記組成物は少なくとも1種の有機ポリマーを含有する。この場合、同軸リングノズルを用いた電界紡糸によってファイバーを得る。後工程において、例えば、溶媒及び/又は焼成によってポリマーを除去することができる。これにより、光触媒活性を有するチューブが得られる。 In a further preferred embodiment (iii) of the present invention, the composition for the fiber shell contains nanoparticles having photocatalytic activity, and the composition for the fiber core comprises at least one organic polymer. Containing. In this case, the fiber is obtained by electrospinning using a coaxial ring nozzle. In the subsequent step, the polymer can be removed, for example, by solvent and / or calcination. Thereby, the tube which has photocatalytic activity is obtained.
本発明の更に好ましい実施の形態(iv)においては、シェルのための上記組成物は光触媒活性を有するナノ粒子を含有し、コアのための上記組成物は光触媒成分の前駆体化合物を少なくとも1種含有する。 In a further preferred embodiment (iv) of the present invention, the composition for the shell contains nanoparticles having photocatalytic activity, and the composition for the core contains at least one precursor compound of the photocatalytic component. contains.
(ii)に係る本発明の特定の実施の形態においては、上記前駆体化合物は、二酸化チタンの前駆体化合物であり、製造したファイバーに対して、使用する前に熱処理を行う。熱処理条件は、前駆体化合物がアナターゼ型二酸化チタンとアモルファス型二酸化チタンとの複合体となるように、特に、アモルファス型二酸化チタンのマトリックス中にアナターゼ型二酸化チタンの結晶子が埋め込まれるように選択することが好ましい。これは、特に、400℃超、かつ500℃未満、好ましくは420℃超、かつ480℃未満、更に好ましくは430℃超、かつ470℃未満、特に好ましくは440℃〜460℃の焼成温度によって達成される。この加熱処理の時間は30分〜4時間であることが好ましい。特に、430℃〜470℃の温度においては、気孔率が特に高いと同時に、アモルファス型二酸化チタンのマトリックス中にアナターゼ型二酸化チタンの結晶子を含有するファイバーが得られる。これは、金属化を均一に行うために特に有益である。このようにして、導電性構造体を得ることができる。加熱速度は、1℃/分〜3℃/分であることが好ましい。 In a specific embodiment of the present invention according to (ii), the precursor compound is a titanium dioxide precursor compound, and the manufactured fiber is heat-treated before use. The heat treatment conditions are selected so that the precursor compound becomes a complex of anatase titanium dioxide and amorphous titanium dioxide, and in particular, the crystallites of anatase titanium dioxide are embedded in the matrix of amorphous titanium dioxide. It is preferable. This is achieved in particular by firing temperatures above 400 ° C. and below 500 ° C., preferably above 420 ° C. and below 480 ° C., more preferably above 430 ° C. and below 470 ° C., particularly preferably from 440 ° C. to 460 ° C. Is done. The heat treatment time is preferably 30 minutes to 4 hours. In particular, at a temperature of 430 ° C. to 470 ° C., a fiber containing anatase titanium dioxide crystallites in a matrix of amorphous titanium dioxide is obtained at the same time as the porosity is particularly high. This is particularly beneficial for uniform metallization. In this way, a conductive structure can be obtained. The heating rate is preferably 1 ° C / min to 3 ° C / min.
熱処理を最終基板に対して行うことができる。 A heat treatment can be performed on the final substrate.
次工程において、金属層の前駆体化合物を少なくとも1種含有する前駆体組成物を基板上に塗布する。この前駆体組成物は、常法、例えば、ディッピング、圧延法、ナイフコーティング、フローコーティング、延伸法、スプレー法、紡糸法、又は、塗装法を使用することによって塗布することができる。上記前駆体組成物は、典型的には、上記少なくとも1種の前駆体化合物の溶液又は懸濁液である。この溶液は、複数の前駆体化合物の混合物を含んでもよい。溶液中に、還元剤又は湿潤助剤等の助剤を更に存在させることもできる。 In the next step, a precursor composition containing at least one precursor compound for the metal layer is applied onto the substrate. The precursor composition can be applied by using conventional methods such as dipping, rolling, knife coating, flow coating, stretching, spraying, spinning, or painting. The precursor composition is typically a solution or suspension of the at least one precursor compound. This solution may comprise a mixture of a plurality of precursor compounds. An auxiliary agent such as a reducing agent or a wetting auxiliary agent may be further present in the solution.
上記前駆体化合物は、金属錯体であることが好ましい。金属錯体は、少なくとも1種の金属イオン又は金属原子と、少なくとも1種の配位子とを有する。金属は、例えば、銅、銀、金、ニッケル、亜鉛、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、タングステン、白金、又は、パラジウムである。好ましい実施の形態においては、上記前駆体化合物は、銀錯体、金錯体、又は、銅錯体であり、銀錯体であることがより好ましい。上記前駆体化合物は、複数種類の金属を含有してもよく、又は、金属錯体の混合物を含有してもよい。 The precursor compound is preferably a metal complex. The metal complex has at least one metal ion or metal atom and at least one ligand. The metal is, for example, copper, silver, gold, nickel, zinc, aluminum, titanium, chromium, manganese, tungsten, platinum, or palladium. In a preferred embodiment, the precursor compound is a silver complex, a gold complex, or a copper complex, and more preferably a silver complex. The precursor compound may contain a plurality of types of metals, or may contain a mixture of metal complexes.
使用する配位子は、通常、キレート配位子である。この配位子は、特に安定な錯体を形成することができ、複数のヒドロキシル基及び/又はアミノ基を有する化合物である。200g/mol未満の分子量を有する化合物が好ましく、少なくとも1つのヒドロキシル基と、少なくとも1つのアミノ基とを有する化合物が特に好ましい。考え得る化合物の例としては、3−アミノプロパン−1,2−ジオール、2−アミノ−1−ブタノール、トリス−(ヒドロキシメチル)アミノメタン(Tris)、NH3、ニコチンアミド、及び、6−アミノヘキサン酸が挙げられる。これらの配位子の混合物を使用することも可能である。好適な銀錯体の場合、配位子としてはTrisが好ましい。 The ligand used is usually a chelate ligand. This ligand is a compound which can form a particularly stable complex and has a plurality of hydroxyl groups and / or amino groups. Compounds having a molecular weight of less than 200 g / mol are preferred, and compounds having at least one hydroxyl group and at least one amino group are particularly preferred. Examples of possible compounds include 3-aminopropane-1,2-diol, 2-amino-1-butanol, tris- (hydroxymethyl) aminomethane (Tris), NH 3 , nicotinamide, and 6-amino. Hexanoic acid is mentioned. It is also possible to use mixtures of these ligands. In the case of a suitable silver complex, the ligand is preferably Tris.
上記前駆体組成物は、上記前駆体化合物の溶液であることが好ましい。有用な溶媒としては、適切な溶媒であればいずれでもよく、例えば、水、又は、メタノール、エタノール、n−プロパノール、若しくは、i−プロパノール等のアルコールである。溶媒の混合物、好ましくは水とエタノールとの混合物を使用することも可能である。好適な混合割合としては、H2O:アルコール、好ましくは、H2O:エタノールの比が、50重量%:50重量%〜20重量%:80重量%である。 The precursor composition is preferably a solution of the precursor compound. Useful solvents may be any suitable solvent, such as water or alcohols such as methanol, ethanol, n-propanol, or i-propanol. It is also possible to use a mixture of solvents, preferably a mixture of water and ethanol. As a suitable mixing ratio, the ratio of H 2 O: alcohol, preferably H 2 O: ethanol is 50 wt%: 50 wt% to 20 wt%: 80 wt%.
それに加えて、上記前駆体組成物は、界面活性剤又は還元助剤等の助剤を更に含有することもできる。 In addition, the precursor composition may further contain an auxiliary agent such as a surfactant or a reducing auxiliary agent.
上記前駆体組成物は、所望の方法で基板上に塗布することができる。ナノファイバーの光触媒活性が直接的又は間接的に、金属イオンの金属への還元を誘発することができるように、上記前駆体組成物を塗布する。これは、典型的には、ナノファイバーに直接上記前駆体組成物を塗布することによって達成される。 The precursor composition can be applied onto the substrate by a desired method. The precursor composition is applied so that the photocatalytic activity of the nanofibers can induce reduction of metal ions to metal, either directly or indirectly. This is typically achieved by applying the precursor composition directly to the nanofibers.
上記前駆体組成物の塗布は、標準的な方法、例えば、ディッピング、スプレー法、圧延法、ナイフコーティング、フローコーティング、延伸法、スプレー法、紡糸法、又は、塗装法を用いて行うことができる。 The precursor composition can be applied using standard methods such as dipping, spraying, rolling, knife coating, flow coating, stretching, spraying, spinning, or painting. .
例えば、上記前駆体組成物の塗布は、基板上に載置した枠を介して行うことができ、枠の載置により形成される、枠によって囲まれたスペースに上記前駆体組成物を導入する。枠は、弾性材料からなるものとすることができ、所望の形状であればいかなる形状を有していてもよく、典型的には、長方形状の枠である。枠は、例えば、基板上の、辺長1cm〜25cm、面積1cm2〜625cm2の領域を囲む。基板上の枠の高さによって、塗布する上記前駆体組成物の厚さが決まる。枠は、25μm〜5mm、好ましくは30μm〜2mmの高さを有することができる。 For example, the precursor composition can be applied through a frame placed on a substrate, and the precursor composition is introduced into a space surrounded by the frame formed by placing the frame. . The frame may be made of an elastic material, and may have any shape as long as it has a desired shape, and is typically a rectangular frame. Frame, for example, to surround the substrate, side length 1Cm~25cm, the area of the area of 1cm 2 ~625cm 2. The thickness of the precursor composition to be applied is determined by the height of the frame on the substrate. The frame can have a height of 25 μm to 5 mm, preferably 30 μm to 2 mm.
次工程において、ファイバーの光触媒成分への電磁放射線の作用によって、上記前駆体化合物の金属イオンを金属へと還元する。これにより、金属層が形成される。電磁放射線とは、光触媒成分を励起する波長の放射線である。その照射は、ランプ等の面放射源、又は、レーザーを使用することによって行うことができる。電磁スペクトルの可視領域又は紫外(UV)領域の波長、好ましくは、500nm未満、例えば、200nm〜450nm、又は、250nm〜410nmの波長の放射線を使用することが好ましい。400nm未満の波長の放射線が好ましい。 In the next step, the metal ion of the precursor compound is reduced to a metal by the action of electromagnetic radiation on the photocatalytic component of the fiber. Thereby, a metal layer is formed. Electromagnetic radiation is radiation of a wavelength that excites the photocatalytic component. The irradiation can be performed by using a surface radiation source such as a lamp or a laser. It is preferred to use radiation with a wavelength in the visible or ultraviolet (UV) region of the electromagnetic spectrum, preferably less than 500 nm, for example 200 nm to 450 nm, or 250 nm to 410 nm. Radiation with a wavelength of less than 400 nm is preferred.
使用する光源は、適切な光源であればいずれでもよい。光源の例としては、水銀灯、及び、キセノンランプが挙げられる。 The light source used may be any suitable light source. Examples of the light source include a mercury lamp and a xenon lamp.
上記光源は、露光する基板から適切な距離に配置される。その距離は、例えば、2.5cm〜50cmとすることができる。250nm〜410nmのスペクトル領域における放射線の強度は、30mW/cm2〜70mW/cm2とすることができる。 The light source is disposed at an appropriate distance from the substrate to be exposed. The distance can be, for example, 2.5 cm to 50 cm. The intensity of the radiation in the spectral region of 250nm~410nm may be a 30mW / cm 2 ~70mW / cm 2 .
照射は、露光する表面に対してできる限り直角に行わなければならない。 Irradiation should be as perpendicular as possible to the surface to be exposed.
照射は、金属層を形成するのに十分な時間行う。ここで、照射時間は、コーティング、開始剤の種類、ランプの種類、使用する波長領域、及び、照射強度によって決まる。導電性構造体を作りたい場合には、照射時間を長くすることが必要とされ得る。照射時間は、5秒〜30分であることが好ましく、20秒〜15分であることがより好ましい。 Irradiation is performed for a time sufficient to form the metal layer. Here, the irradiation time is determined by the coating, the type of initiator, the type of lamp, the wavelength region used, and the irradiation intensity. If it is desired to make a conductive structure, it may be necessary to lengthen the irradiation time. The irradiation time is preferably 5 seconds to 30 minutes, and more preferably 20 seconds to 15 minutes.
照射にレーザーを使用する場合には、例えば、アルゴンイオンレーザー(351nm)を10mWで使用することができる。この場合、そのレーザービームを、照射する基板にわたって、集束的かつ平行に、2mm/秒のスピードで誘導する。 When a laser is used for irradiation, for example, an argon ion laser (351 nm) can be used at 10 mW. In this case, the laser beam is guided in a focused and parallel manner over the substrate to be irradiated at a speed of 2 mm / second.
本発明の更なる実施の形態においては、照射及び上記前駆体化合物の還元後に、上記基板を更に処理する。例えば、脱イオン水又は他の適切な物質によって表面をすすぐことによって、未還元の余剰前駆体組成物を除去することができる。次いで、オーブン加熱、圧縮空気、及び/又は、室温乾燥等によって、被覆基板を乾燥することができる。 In a further embodiment of the invention, the substrate is further processed after irradiation and reduction of the precursor compound. For example, unreduced excess precursor composition can be removed by rinsing the surface with deionized water or other suitable material. Next, the coated substrate can be dried by oven heating, compressed air, and / or room temperature drying or the like.
照射は、例えば、2回、3回、又は、4回と繰り返して行うこともできる。 Irradiation can be repeated, for example, twice, three times, or four times.
好ましい実施の形態においては、初回の照射後、上記基板を洗浄し、次いで、照射を少なくとももう1回行う。これにより、表面上の非選択的析出を減少することができる。 In a preferred embodiment, after the first irradiation, the substrate is cleaned and then irradiated at least once more. This can reduce non-selective deposition on the surface.
例えば、酸化、水、又は、紫外線から被覆表面を保護するために、層を更に設けることも可能である。 For example, a layer may be further provided to protect the coated surface from oxidation, water, or UV light.
本発明の好ましい実施の形態においては、上記前駆体組成物の塗布及び/又は還元にて、構造化が達成される。本発明の文脈においては、これは、空間的に限られた金属構造体の構築を意味するものと理解され、様々な方法によって可能である。まず、上記基板の特定の領域のみをナノファイバーで被覆することができる。特定の領域のみに上記前駆体組成物を塗布することも可能である。また、電磁放射線の作用を特定の領域に限定することも当然可能である。当然ながら、これらの方法を組み合わせて使用することもできる。例えば、上記前駆体組成物を全領域に塗布し、次いで、マスクを介して露光することも可能である。同様に、上記前駆体組成物を選択的に塗布し、次いで、全領域を露光することも当然可能である。 In a preferred embodiment of the present invention, structuring is achieved by application and / or reduction of the precursor composition. In the context of the present invention, this is understood to mean the construction of a spatially limited metal structure and is possible in various ways. First, only a specific region of the substrate can be covered with nanofibers. It is also possible to apply the precursor composition only to a specific region. It is also possible to limit the action of electromagnetic radiation to a specific area. Of course, a combination of these methods can also be used. For example, the precursor composition can be applied to the entire area and then exposed through a mask. Similarly, it is naturally possible to selectively apply the precursor composition and then expose the entire area.
特に、電界紡糸を使用する場合には、紡糸したファイバーを、構造化した基板、特に、細長い凹部を有する基板に塗布することも可能である。その長さによって、ファイバーは凹部に沿って秩序化される。 In particular, when using electrospinning, the spun fibers can be applied to a structured substrate, particularly a substrate having elongated recesses. Depending on its length, the fibers are ordered along the recess.
このプロセス後、例えば、基板の被覆表面を紫外線から保護するために、層を更に設けることも可能である。 After this process, additional layers can be provided, for example, to protect the coated surface of the substrate from ultraviolet radiation.
構造化によって設けられる構造体は、実際には何ら制限されない。例えば、導体トラック等の接続構造体を設けることができ、ドット状の構造体を設けることもできる。良好な解像度を与えるため、このプロセスによって、目には見えない導電性ドットをフィルムに設けることができる。これは、タッチスクリーンの表面の製造において、非常に重要である。 The structure provided by the structuring is not limited in practice. For example, a connection structure such as a conductor track can be provided, and a dot-like structure can also be provided. In order to provide good resolution, this process can provide invisible conductive dots on the film. This is very important in the production of touch screen surfaces.
また、本発明は、上述の(ii)に係る実施の形態のように、金属化を行わない、アナターゼ型二酸化チタンとアモルファス型二酸化チタンとを含有し、光触媒活性を有する複合ファイバーを製造する方法に関する。ここで、紡糸組成物は、上述のように、少なくとも1種の加水分解性チタン化合物又はその縮合物と、少なくとも1種の有機ポリマー及び/又はオリゴマーとを含有する。この加水分解性チタン化合物は、例えば、上述の、ナノ粒子のための加水分解性チタン化合物である。まず、この化合物をゾルに変換することが必要となり得る。これは、例えば、酢酸、塩酸等の酸を添加することによって達成することができる。 Further, the present invention provides a method for producing a composite fiber containing anatase-type titanium dioxide and amorphous-type titanium dioxide, which is not metallized and has photocatalytic activity, as in the embodiment according to (ii) above. About. Here, as described above, the spinning composition contains at least one hydrolyzable titanium compound or a condensate thereof and at least one organic polymer and / or oligomer. This hydrolysable titanium compound is, for example, the above-mentioned hydrolysable titanium compound for nanoparticles. First, it may be necessary to convert this compound to a sol. This can be achieved, for example, by adding an acid such as acetic acid or hydrochloric acid.
上記紡糸組成物を電界紡糸によって紡糸し、ファイバーを基板に適用する。次いで、上述のように、400℃超、かつ500℃未満、好ましくは420℃超、かつ480℃未満、更に好ましくは430℃超、かつ470℃未満、特に440℃〜460℃にて熱処理を行う。この熱処理の時間は30分〜4時間であることが好ましい。特に、430℃〜470℃の温度においては、気孔率が特に高いと同時に、アモルファス型二酸化チタンのマトリックス中にアナターゼ型二酸化チタンの結晶子を含有するファイバーが得られる。これは、金属化を均一に行うために特に有益である。このようにして、導電性構造体を得ることができる。加熱速度は、1℃/分〜3℃/分であることが好ましい。 The spinning composition is spun by electrospinning and the fiber is applied to the substrate. Then, as described above, the heat treatment is performed at a temperature higher than 400 ° C. and lower than 500 ° C., preferably higher than 420 ° C. and lower than 480 ° C., more preferably higher than 430 ° C. and lower than 470 ° C. . The heat treatment time is preferably 30 minutes to 4 hours. In particular, at a temperature of 430 ° C. to 470 ° C., a fiber containing anatase titanium dioxide crystallites in a matrix of amorphous titanium dioxide is obtained at the same time as the porosity is particularly high. This is particularly beneficial for uniform metallization. In this way, a conductive structure can be obtained. The heating rate is preferably 1 ° C / min to 3 ° C / min.
このようにして得られるファイバーは、本発明の金属構造体の製造方法に特に有利である。 The fiber thus obtained is particularly advantageous for the method for producing a metal structure of the present invention.
また、本発明は、本発明の方法によって得られる複合ファイバーに関する。 The present invention also relates to a composite fiber obtained by the method of the present invention.
また、本発明は、本発明の方法によって得られる複合ファイバーを少なくとも1種備える基板に関する。 Moreover, this invention relates to the board | substrate provided with at least 1 sort (s) of the composite fiber obtained by the method of this invention.
また、本発明は、本発明の方法によって得られる被覆基板に関する。このような基板は、光触媒活性を有するナノファイバーを含む光触媒活性を有する層を特徴とする。この層は、50nm〜200μmの厚さを有する。層の厚さは、好ましくは、100nm〜1μm、より好ましくは50nm〜700nmである。 The present invention also relates to a coated substrate obtained by the method of the present invention. Such a substrate is characterized by a layer having photocatalytic activity comprising nanofibers having photocatalytic activity. This layer has a thickness of 50 nm to 200 μm. The thickness of the layer is preferably 100 nm to 1 μm, more preferably 50 nm to 700 nm.
上記ファイバーは、アナターゼ型二酸化チタンとアモルファス型二酸化チタンとで構成される複合体、特に、本発明の方法によって得られるような複合体を含むことが好ましい。 The fiber preferably contains a composite composed of anatase-type titanium dioxide and amorphous-type titanium dioxide, particularly a composite obtained by the method of the present invention.
本発明の更なる実施の形態においては、上記ファイバーは、少なくとも部分的に金属化されている。ここで有用な金属は、特に、銅、銀、金、ニッケル、亜鉛、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、タングステン、白金、又は、パラジウムであり、好ましくは、銀、又は、金である。これらの金属は、個々の粒子であってもよい。上記ファイバーは、上記金属によって被覆されていることが好ましく、これは、TEMによって検出することができる。基板上のコーティングが導電性であることがより好ましく、これは、5mmの距離で、少なくとも1つの方向において、3MΩ未満、好ましくは2MΩ、最も好ましくは1MΩの抵抗を有する構造体を意味するものと理解される。製造された構造体は、そのファイバー構造によって、異方性抵抗を有することが好ましい。異方性抵抗とは、抵抗が、測定の方向に応じて、少なくとも2倍、少なくとも10倍、特に、100倍に変化することを意味する。 In a further embodiment of the invention, the fiber is at least partially metallized. The metals useful here are in particular copper, silver, gold, nickel, zinc, aluminum, titanium, chromium, manganese, tungsten, platinum or palladium, preferably silver or gold. These metals may be individual particles. The fiber is preferably coated with the metal, which can be detected by TEM. More preferably, the coating on the substrate is conductive, which means a structure having a resistance of less than 3 MΩ, preferably 2 MΩ, most preferably 1 MΩ in at least one direction at a distance of 5 mm. Understood. The manufactured structure preferably has anisotropic resistance due to its fiber structure. Anisotropic resistance means that the resistance varies at least 2 times, at least 10 times, in particular 100 times, depending on the direction of measurement.
金属層の厚さは、200mmまでとすることができる。層の厚さは、好ましくは、10nm〜100nm、より好ましくは5nm〜50nmである。 The thickness of the metal layer can be up to 200 mm. The thickness of the layer is preferably 10 nm to 100 nm, more preferably 5 nm to 50 nm.
本発明の特に有利な実施の形態においては、基板上のコーティングは、少なくとも部分的に透明であり、特に、全体的に透明である。これは、基板の表面上の被覆領域における電界紡糸後のファイバーによる被覆率を、基板の被覆表面領域の20%未満、特に、10%〜20%、好ましくは10%〜15%とすることによって、達成することができる。これは、例えば、電界紡糸時間によって、達成することができる。上記被覆率は、平均透過率及びヘイズを電界紡糸時間の関数として測定することによって求めることができる。 In a particularly advantageous embodiment of the invention, the coating on the substrate is at least partially transparent, in particular totally transparent. This is because the coverage by the fiber after electrospinning in the coated region on the surface of the substrate is less than 20% of the coated surface region of the substrate, in particular 10% to 20%, preferably 10% to 15%. Can be achieved. This can be achieved, for example, by electrospinning time. The coverage can be determined by measuring average transmittance and haze as a function of electrospinning time.
ファイバーによるコーティングは、平均透過率を最大でも5%しか減らさないことが好ましい。 The fiber coating preferably reduces the average transmittance by at most 5%.
本発明の発展形態においては、上記基板は、50μm未満、好ましくは10μm未満の大きさを有する構造要素によって構造化されている。この構造要素は、金属領域及び/又は非金属領域を提供するものであってよい。より好ましくは、金属構造体は、ナノファイバーの金属コーティングである。 In a development of the invention, the substrate is structured by structural elements having a size of less than 50 μm, preferably less than 10 μm. This structural element may provide a metallic region and / or a non-metallic region. More preferably, the metal structure is a metal coating of nanofibers.
本発明の特に有利な発展形態においては、上記被覆基板は、少なくとも部分的に透明な金属構造体を備える。これは、20μm未満、好ましくは10μm未満の解像度を有する構造体を透明基板に適用することによって、達成することができる。 In a particularly advantageous development of the invention, the coated substrate comprises a metal structure that is at least partially transparent. This can be achieved by applying to the transparent substrate a structure having a resolution of less than 20 μm, preferably less than 10 μm.
本発明の方法によって得られる被覆基板は、多くの用途に使用することができる。 The coated substrate obtained by the method of the present invention can be used for many applications.
第一に、本方法は反射金属層を表面に塗布するのに好適である。これらの被覆基板は、例えばホログラフィー用途における反射層として使用することができる。 First, the method is suitable for applying a reflective metal layer to a surface. These coated substrates can be used, for example, as a reflective layer in holographic applications.
本発明の特定の利点は導電性構造体の製造にある。これらの導電性構造体は、エレクトロニクス用途における導体トラックとして、特にタッチスクリーンディスプレイにおいて、ソーラーコレクタにおいて、ディスプレイにおいて、RFIDアンテナとして、又はトランジスタにおいて好適である。したがって、導電性構造体は、ITO(酸化インジウムスズ)をベースに、例えばTCOコーティング(TCO:透明な導電性酸化物)においてこれまで製造されてきた製品における代替物として好適である。特に、透明構造体、及び、異方性抵抗を有する構造体を得ることが可能である。 A particular advantage of the present invention is in the manufacture of conductive structures. These conductive structures are suitable as conductor tracks in electronics applications, especially in touch screen displays, in solar collectors, in displays, as RFID antennas or in transistors. Thus, the conductive structure is suitable as an alternative in products that have been produced so far, based on ITO (indium tin oxide), for example in TCO coatings (TCO: transparent conductive oxide). In particular, it is possible to obtain a transparent structure and a structure having anisotropic resistance.
本構造体はトランジスタ分野において代替的に使用することができる。 This structure can alternatively be used in the transistor field.
更なる詳細及び特徴は、従属項と併せて後続の好ましい実施例の記載により明らかとなろう。この文脈において、それぞれの特徴自体、又は、それらのいくつかを互いに組み合わせて実行することができる。課題を解決するための手段はこれらの実施例に限定されるものではない。例えば、指定範囲は常に、明示されていない全ての中間の値及び考え得る全ての部分区間を含む。 Further details and features will become apparent from the following description of preferred embodiments in conjunction with the dependent claims. In this context, each feature itself, or some of them, can be implemented in combination with each other. Means for solving the problem is not limited to these examples. For example, the specified range always includes all intermediate values not explicitly specified and all possible subintervals.
実施例は概略図において示されている。個々の図面における同一の参照符号は、同一であるか又は同じ機能を有するか又はそれらの機能の点で相互に対応する要素を示す。具体的には、図は以下のことを示している。 An example is shown in the schematic diagram. The same reference signs in the individual drawings indicate elements that are the same or that have the same function or that correspond to each other in terms of their function. Specifically, the figure shows the following.
ナノファイバーの電界紡糸プロセスのために、様々な戦略を用いた。 Various strategies were used for the nanofiber electrospinning process.
(i)水熱法により作製したTiO2ナノ結晶を、ポリマー化合物に導入し、電界紡糸してナノファイバーを得る。
(ii)チタンアルコキシド前駆体化合物から得たTiO2及びポリマー紡糸化合物からアナターゼ含有ファイバーを作製する。
(iii)ポリマーコアと、水熱法により転換されたTiO2結晶であるシェルとを有するファイバーを、同軸電界紡糸により得て、熱処理後、ポリマーを洗浄してアナターゼ型二酸化チタンのチューブを得る。
(iv)チタンアルコキシドであるコアと、水熱法により作製したTiO2結晶であるシェルとを有するファイバーを、同軸電界紡糸により得る。
(I) A TiO 2 nanocrystal produced by a hydrothermal method is introduced into a polymer compound and electrospun to obtain nanofibers.
(Ii) Anatase-containing fiber is prepared from TiO 2 obtained from a titanium alkoxide precursor compound and a polymer spinning compound.
(Iii) A fiber having a polymer core and a shell that is a TiO 2 crystal converted by a hydrothermal method is obtained by coaxial electrospinning, and after heat treatment, the polymer is washed to obtain an anatase-type titanium dioxide tube.
(Iv) A fiber having a core that is a titanium alkoxide and a shell that is a TiO 2 crystal produced by a hydrothermal method is obtained by coaxial electrospinning.
基板は全て光化学的に銀を析出させるために使用する。 All the substrates are used to photochemically deposit silver.
(i)に係る実験
水熱焼成したTiO2ナノ結晶の水系ゾルを電界紡糸することにより、極細ファイバーを得た。このために、チタンテトライソプロポキシドを、イソプロパノール及び塩酸と混合し、TiO2ネットワークを得た。これに、水及びイソプロパノールを添加して、ゾルを得た。次いで、ゾルを一定容積のオートクレーブに導入し、250℃まで加熱して、アナターゼ型TiO2を得た。得られたナノ結晶を再分散し、任意で、表面改質を行った。この組成物に対し、高分子量ポリビニルピロリドン(Mw=1300000g/mol、hPVP)を、(組成物全体に対して)4重量%の含有率まで添加した。
Experiment relating to (i) Ultrafine fibers were obtained by electrospinning an aqueous sol of TiO 2 nanocrystals fired hydrothermally. For this purpose, titanium tetraisopropoxide was mixed with isopropanol and hydrochloric acid to obtain a TiO 2 network. To this, water and isopropanol were added to obtain a sol. Next, the sol was introduced into a fixed volume autoclave and heated to 250 ° C. to obtain anatase TiO 2 . The resulting nanocrystals were redispersed and optionally surface modified. High molecular weight polyvinylpyrrolidone (Mw = 1300,000 g / mol, hPVP) was added to this composition to a content of 4% by weight (relative to the total composition).
得られたファイバーを図1に示す。このファイバーの直径は非常に小さく、やや起伏のある表面を有していた。これは、TiO2粒子がファイバー内に配置されていることを示唆している。 The obtained fiber is shown in FIG. The fiber diameter was very small and had a slightly rough surface. This suggests that the TiO 2 particles are located in the fiber.
(ii)に係る実験
アナターゼ含有ナノファイバーを以下のようにして得た。チタンテトライソプロポキシド(Ti(O−iPr)4)を、酢酸とエタノールとの混合物中0.25:1:1の割合とし、徐々に加水分解してゾルを得た。このゾルに対し、高分子量ポリビニルピロリドン(Mw=1300000g/mol、hPVP)を添加し、エタノールを添加することにより完全に溶解させた。hPVPの含有率は、組成物全体に対して9重量%であった。
Experiment related to (ii) Anatase-containing nanofibers were obtained as follows. Titanium tetraisopropoxide (Ti (O-iPr) 4 ) was gradually hydrolyzed at a ratio of 0.25: 1: 1 in a mixture of acetic acid and ethanol to obtain a sol. High molecular weight polyvinylpyrrolidone (Mw = 1300,000 g / mol, hPVP) was added to the sol, and ethanol was added to completely dissolve the sol. The content of hPVP was 9% by weight based on the entire composition.
エタノールの添加量を変えることによって、ポリマー濃度が5重量%の組成物も作製した。 A composition having a polymer concentration of 5% by weight was also prepared by changing the amount of ethanol added.
このゾルを(適宜、わずかに撹拌しながら)24時間放置し、以下の条件下で電界紡糸した:
21G紡糸口金を、アルミニウム泊で被覆した接地銅板に対して直角に、15cmの距離に設置した。シリンジポンプを使用して、紡糸ドープの流速を0.82mL/h又は0.5mL/分〜0.8mL/分(温度21℃、空気湿度43%)とした。18kV〜21kV、特に、18kV〜20kVの電圧で、紡糸繊維を形成した。
The sol was allowed to stand for 24 hours (optionally with slight agitation) and electrospun under the following conditions:
A 21G spinneret was installed at a distance of 15 cm perpendicular to the ground copper plate coated with aluminum stays. The flow rate of the spinning dope was set to 0.82 mL / h or 0.5 mL / min to 0.8 mL / min (temperature 21 ° C., air humidity 43%) using a syringe pump. Spun fibers were formed at a voltage of 18 kV to 21 kV, in particular 18 kV to 20 kV.
光学試験のために、3cm×3cmのガラス板を、上記紡糸口金下に(10cm〜20cmの距離で)時間を変えて(1秒及び15秒)、保持した。図2に、ファイバーのファイバー直径の典型的な分布を示す。ファイバーは、103nm±53nmの平均直径を有し、平滑な円筒状の形態を示している。 For optical testing, a 3 cm × 3 cm glass plate was held under the spinneret (at a distance of 10 cm to 20 cm) for varying times (1 and 15 seconds). FIG. 2 shows a typical distribution of fiber diameters of the fibers. The fiber has an average diameter of 103 nm ± 53 nm and exhibits a smooth cylindrical form.
個々のファイバーを表面に適用するために、ファイバーの適用は、上記ガラス板を動かしながら、12秒〜15秒間行った(5重量%、0.5mL/分〜0.8mL/分、21ゲージ、18kV〜20kV、FD10cm〜20cm)。これにより、ガラス表面の12%〜15%がファイバーによって被覆された。ファイバー同士は20μm〜100μm離れており、焼成後、全てのファイバーが500nm未満の最大直径を有している。 In order to apply individual fibers to the surface, the fiber application was performed for 12-15 seconds while moving the glass plate (5 wt%, 0.5 mL / min to 0.8 mL / min, 21 gauge, 18 kV to 20 kV, FD 10 cm to 20 cm). Thereby, 12% to 15% of the glass surface was covered with the fiber. The fibers are 20 μm to 100 μm apart, and after firing, all fibers have a maximum diameter of less than 500 nm.
紡糸後、基板上に適用したファイバーを120℃で12時間加熱して、水及び溶媒を除去した。80℃で12時間〜24時間でも除去することができる。 After spinning, the fiber applied on the substrate was heated at 120 ° C. for 12 hours to remove water and solvent. It can be removed at 80 ° C. for 12 to 24 hours.
その後、500℃で焼成した(加熱速度及び冷却速度は、各々、2.66℃/分)。アナターゼ型二酸化チタンの最適な形成条件を調べるため、5分及び30分の2つの異なる保持時間で調べた。30分の保持時間で得たファイバーは、後に、銀による被覆率の向上を示した。図1〜図6に示す全ての例は、500℃で30分間焼成したものであった。他のサンプルの場合には、焼成温度及び時間はそれぞれ定められている。加熱後、規定の時間、焼成温度を維持した。 Then, it baked at 500 degreeC (a heating rate and a cooling rate are 2.66 degreeC / min, respectively). In order to investigate the optimum formation conditions of anatase titanium dioxide, two different retention times of 5 minutes and 30 minutes were examined. The fiber obtained with a holding time of 30 minutes later showed improved coverage with silver. All examples shown in FIGS. 1 to 6 were baked at 500 ° C. for 30 minutes. In the case of other samples, the firing temperature and time are determined respectively. After heating, the firing temperature was maintained for a specified time.
サンプルを少なくとも3時間かけて室温まで冷却した。 The sample was cooled to room temperature over at least 3 hours.
焼成によるファイバー直径の変化を図3に示す。ファイバーは明らかに細くなり、サイズ分布は狭くなっている。図4に示されるEDSスペクトルには、PVP([C6H9NO]n)における炭素及び酸素のKα線に対応する、0.277keV及び0.525keVにおけるピークが減少していることがはっきりと示されている。4.508keVにおけるピークは、チタンのKαに対応している。焼成が長くなれば、炭素が反応してCO2となり、酸素はTiO2を形成する。0.452keVにおけるTiのLαもスペクトルにおいて明らかである。炭素の低吸収は、サンプルの固定バンドに起因するものと考えられる。 The change of the fiber diameter by baking is shown in FIG. The fibers are clearly thinner and the size distribution is narrower. The EDS spectrum shown in FIG. 4 clearly shows that the peaks at 0.277 keV and 0.525 keV corresponding to the carbon and oxygen Kα rays in PVP ([C 6 H 9 NO] n ) are reduced. It is shown. The peak at 4.508 keV corresponds to the Kα of titanium. If calcination is prolonged, the carbon reacts to CO 2 and oxygen forms TiO 2 . The Ti Lα at 0.452 keV is also evident in the spectrum. The low carbon absorption is believed to be due to the fixed band of the sample.
焼成によってアナターゼ型結晶が生成していることは、X線回折(図5)によっても示されている。 The fact that anatase-type crystals are produced by firing is also shown by X-ray diffraction (FIG. 5).
図6に、様々な照射時間で表面に形成した銀ナノ粒子のサイズ分布を示す。 FIG. 6 shows the size distribution of silver nanoparticles formed on the surface at various irradiation times.
以下の例における金属化のために、金属層の前駆体として、Tris錯体を含む硝酸銀水溶液を使用した。組成物を新しく調製し、ガラス板に適用したファイバー上に分注してから、30秒待機した。その後、ファイバーに、UV光(1000W)を3分間照射した後、サンプルを洗浄し、再度UV光(1000W)を2分間照射した。洗浄によって、ガラス表面に銀が自然析出するのを減少させる。 For the metallization in the following examples, an aqueous silver nitrate solution containing a Tris complex was used as a precursor for the metal layer. The composition was freshly prepared and dispensed onto the fiber applied to the glass plate and then waited 30 seconds. Then, after irradiating the fiber with UV light (1000 W) for 3 minutes, the sample was washed, and again irradiated with UV light (1000 W) for 2 minutes. Washing reduces the spontaneous deposition of silver on the glass surface.
図7の左側には、AgNO3−Tris錯体の存在下で4分間露光した後のファイバーマット(500℃で30分間焼成)を示す。銀コーティングは、金属性で、接触抵抗を有して導電性(11.8Ωcm)である。左側の画像のファイバーも、同条件下で4分間露光したものであるが、銀による被覆が不完全で非導電性である。 The left side of FIG. 7 shows a fiber mat (baked at 500 ° C. for 30 minutes) after exposure for 4 minutes in the presence of AgNO 3 -Tris complex. The silver coating is metallic, has contact resistance and is conductive (11.8 Ωcm). The image fiber on the left is also exposed for 4 minutes under the same conditions, but is incompletely silver coated and non-conductive.
更なる実験のため、考え得るファクターとして、電界紡糸における基板衝突前の距離(「飛距離」、FD)、焼成時間(CT)、及び、焼成温度の影響を調べた。ファイバーはそれぞれ、3つの異なる出発原料バッチから作製した。 For further experiments, as possible factors, the influence of the distance before the substrate collision in electrospinning (“flying distance”, FD), firing time (CT), and firing temperature was examined. Each fiber was made from three different starting material batches.
ガラス上に作製した全てのファイバーの透過率を測定した。その結果を表1に示す。サンプルの表示において、FDは飛距離を表し、CTは焼成時間(分)を表す。よって、FD10CT60は、10cmの飛距離で、60分の焼成時間を意味する。ガラス表面のファイバーによる被覆率が15%の場合には、いずれも、透過率の明らかな減少は見られない。 The transmittance of all the fibers produced on the glass was measured. The results are shown in Table 1. In the sample display, FD represents the flight distance, and CT represents the firing time (minutes). Therefore, FD10CT60 means a firing time of 60 minutes at a flight distance of 10 cm. In all cases where the fiber coverage on the glass surface is 15%, there is no apparent decrease in transmittance.
ガラス表面のファイバーによる被覆率が12%〜15%の場合には、未処理のガラスと比較して、最大1%の透明性の低下が測定され、銀析出後には、最大2.5%の低下が測定される。 When the coverage by the fiber on the glass surface is 12% to 15%, a decrease in transparency of up to 1% is measured compared to untreated glass, and after silver deposition, up to 2.5% Decrease is measured.
被覆率を求めた結果を図14に示す。このために、透過率又はヘイズを電界紡糸時間の関数として測定した。括弧内の数字は、測定した透過率及びヘイズを示している。 The result of obtaining the coverage is shown in FIG. For this, transmittance or haze was measured as a function of electrospinning time. The numbers in parentheses indicate the measured transmittance and haze.
図8に、飛距離(X軸の上段が10cm又は20cmを示す)、焼成時間(真ん中の段の数字が30分又は60分を示す)、及び、焼成温度(上に配されたこれらの飛距離と焼成時間との4つの組み合わせに対して、450℃、475℃、及び、500℃)の関数として作製したファイバーの直径の分布を示す。10cmの飛距離で紡糸したサンプルは、非常に細いファイバーとより太いファイバーとの二峰性分布を有するため、より広い分布を有する(例えば、図9a)。450℃で焼成したファイバーは、より高温で焼成したファイバーに比べて収縮が小さい。このようなファイバーの画像を図9に示す。図の幅は、1.25μmに対応している。直径を求めるため、上述の条件下で作製したファイバーマット中の多数のファイバーの直径を測定した。ファイバーは、円形の直径を有している。 FIG. 8 shows the flight distance (upper X axis indicates 10 cm or 20 cm), firing time (middle stage number indicates 30 minutes or 60 minutes), and firing temperature (these flight distances arranged above). The distribution of the diameters of the fibers produced as a function of 450 ° C, 475 ° C, and 500 ° C) is shown for the four combinations of distance and firing time. Samples spun at a 10 cm flight distance have a broader distribution due to the bimodal distribution of very thin and thicker fibers (eg, FIG. 9a). Fibers fired at 450 ° C. have less shrinkage than fibers fired at higher temperatures. An image of such a fiber is shown in FIG. The width of the figure corresponds to 1.25 μm. In order to obtain the diameter, the diameters of a large number of fibers in the fiber mat produced under the above conditions were measured. The fiber has a circular diameter.
図10に、様々な焼成温度でのファイバーのTEM画像を示す。温度が高くなるにつれて、ファイバーの結晶化度が高くなっている。 FIG. 10 shows TEM images of fibers at various firing temperatures. As the temperature increases, the crystallinity of the fiber increases.
図10に、様々な温度における焼成後のファイバーのTEM画像を示す。焼成温度が高くなるにつれて、結晶性二酸化チタンの割合、すなわち、結晶性組織のサイズが著しく大きくなっている。これは、図11に示すラマンスペクトルからも明らかである。振幅が小さく、ピークの幅が小さい程、結晶化度が低く、すなわちナノ結晶であることを示している。450℃の場合のピークは、475℃又は500℃の場合に比べて非常に小さい。そして、450℃で得たサンプルは、特有のバックグラウンド蛍光を示し、O−Ti−O B1g、及び、O−Ti−O A1g/B1gに対するピークが非常に不明確である。これは、このファイバーにおいて、広がったTi−O−Tiネットワーク中にアナターゼ型二酸化チタンが存在していることを示唆している。そのため、450℃で焼成したファイバーの場合には、アモルファス型二酸化チタンと結晶性二酸化チタンとの複合体が存在する。具体的には、アモルファス型二酸化チタンは、明らかに高い気孔率を特徴とする。 FIG. 10 shows TEM images of the fiber after firing at various temperatures. As the firing temperature increases, the proportion of crystalline titanium dioxide, that is, the size of the crystalline structure, increases significantly. This is also apparent from the Raman spectrum shown in FIG. The smaller the amplitude and the smaller the peak width, the lower the crystallinity, that is, the nanocrystal. The peak at 450 ° C is much smaller than that at 475 ° C or 500 ° C. And the sample obtained at 450 degreeC shows a characteristic background fluorescence, and the peak with respect to O-Ti- OB1g and O-Ti- OA1g / B1g is very unclear. This suggests that there is anatase-type titanium dioxide in the expanded Ti-O-Ti network in this fiber. Therefore, in the case of fibers fired at 450 ° C., there is a composite of amorphous titanium dioxide and crystalline titanium dioxide. Specifically, amorphous titanium dioxide is characterized by a clearly high porosity.
気孔率の高さは、ガス吸着能(図12)においても示されている。450℃で焼成したファイバーの場合には102m2/g(図12の左側)の比表面積(SSA)が測定されたのに対して、475℃及び500℃で焼成したファイバーは、各々、66m2/g(図12の真ん中)及び52m2/g(図12の右側)の表面積を有していた。 The high porosity is also shown in the gas adsorption capacity (FIG. 12). In the case of fibers fired at 450 ° C., a specific surface area (SSA) of 102 m 2 / g (left side of FIG. 12) was measured, whereas fibers fired at 475 ° C. and 500 ° C. were 66 m 2 each. / G (middle of FIG. 12) and 52 m 2 / g (right side of FIG. 12).
以下の銀析出実験のため、上述のAgNO3/Tris錯体を使用した。還元後、サンプルを洗浄し、2時間乾燥して、金属化の前後で透過率を測定した。その結果を表2に示す。金属化によって、透過率が1%〜4%減少するが、ほとんどのサンプルの場合、その減少はわずか1%前後である。 The above AgNO 3 / Tris complex was used for the following silver precipitation experiments. After reduction, the sample was washed and dried for 2 hours, and the transmittance was measured before and after metallization. The results are shown in Table 2. Metallization reduces the transmission by 1% to 4%, but for most samples the reduction is only around 1%.
450℃で焼成したサンプルは全て、導電率を測定することができた。このために、接点接続のためガラスの両端に銀ペーストを塗布し、導電率を測定した。接点間の距離は5mmとした。サンプルのファイバー形状に起因して、異方性抵抗が得られた。その結果を表3に示す。抵抗は、どのくらいの数のファイバーが接点に接触するかにも左右される。 All samples fired at 450 ° C. were able to measure conductivity. For this purpose, a silver paste was applied to both ends of the glass for contact connection, and the conductivity was measured. The distance between the contacts was 5 mm. Anisotropic resistance was obtained due to the fiber shape of the sample. The results are shown in Table 3. The resistance also depends on how many fibers touch the contact.
図13に、2つの異なる金属化サンプルを示す。図13aは、導電性を示すサンプルの金属化ファイバー(400℃、FD20cm、CT60分)を示し、図13bは、導電性を示さないサンプルの金属化ファイバー(475℃、FD20cm、CT60分)を示す。図13aにおいては、ファイバーの周りにシェルを形成するように銀が析出しており、これにより導電性が得られることが明らかである。図13bにおいては、同条件下において、より大きい個々の銀粒子のみが形成されているが、この粒子によって導電性は得られない。図13aのファイバー中に存在するアモルファス型二酸化チタンとアターゼ型二酸化チタンとの複合体によって、金属銀のシェルの形成がもたらされるものと考えられる。 FIG. 13 shows two different metallization samples. FIG. 13a shows a sample metallized fiber (400 ° C., FD 20 cm, CT 60 min) showing conductivity, and FIG. 13b shows a sample metallized fiber (475 ° C., FD 20 cm, CT 60 min) showing no conductivity. . In FIG. 13a, it is clear that silver is deposited so as to form a shell around the fiber, thereby providing conductivity. In FIG. 13b, only larger individual silver particles are formed under the same conditions, but no conductivity is obtained by these particles. It is believed that the composite of amorphous titanium dioxide and atase titanium dioxide present in the fiber of FIG. 13a results in the formation of a metallic silver shell.
わずか400℃で焼成したサンプルは、いずれも導電性を示さなかった。 None of the samples fired at only 400 ° C. exhibited electrical conductivity.
Claims (16)
b)少なくとも1種の金属構造体の前駆体化合物を、前記ナノファイバーと接触させる工程と、
c)前記光触媒成分に対する電磁放射線の作用によって、前記少なくとも1種の前駆体化合物を金属構造体へと還元する工程と、
を含む、金属構造体の製造方法。 a) providing nanofibers containing a photocatalytic component on a substrate;
b) contacting at least one metal structure precursor compound with the nanofibers;
c) reducing the at least one precursor compound to a metal structure by the action of electromagnetic radiation on the photocatalytic component;
A method for producing a metal structure, comprising:
a)少なくとも1種の加水分解性チタン化合物又はその縮合物と、少なくとも1種の有機ポリマー及び/又はオリゴマーとを含有する紡糸組成物を準備する工程と、
b)前記組成物を電界紡糸する工程と、
c)得られたファイバーを、400℃超、かつ500℃未満で熱処理する工程と、
を含む、製造方法。 A method for producing a composite fiber containing anatase-type titanium dioxide and amorphous-type titanium dioxide and having photocatalytic activity,
a) preparing a spinning composition containing at least one hydrolyzable titanium compound or a condensate thereof and at least one organic polymer and / or oligomer;
b) electrospinning the composition;
c) heat-treating the obtained fiber at more than 400 ° C. and less than 500 ° C .;
Manufacturing method.
Applications Claiming Priority (3)
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